Forskere ser kunstige atomer samles til perfekte gitter med mange anvendelsesmuligheder

Nogle af verdens mindste krystaller er kendt som "kunstige atomer", fordi de kan organisere sig i strukturer, der ligner molekyler, herunder "supergitter", der er potentielle byggesten til nye materialer.

Nu har forskere fra Department of Energy's SLAC National Accelerator Laboratory og Stanford University lavet den første observation af disse nanokrystaller, der hurtigt danner supergitter, mens de selv stadig vokser. Det, de lærer, vil hjælpe videnskabsmænd med at finjustere samlingsprocessen og tilpasse den til at lave nye typer materialer til ting som magnetisk opbevaring, solceller, optoelektronik og katalysatorer, der fremskynder kemiske reaktioner.

Nøglen til at få det til at fungere var den serendipitære opdagelse af, at supergitter kan dannes superhurtigt - på sekunder i stedet for de sædvanlige timer eller dage - under den rutinemæssige syntese af nanokrystaller. Forskerne brugte en kraftig stråle af røntgenstråler ved SLACs Stanford Synchrotron Radiation Lightsource (SSRL) til at observere væksten af ​​nanokrystaller og den hurtige dannelse af supergitter i realtid.

Et papir, der beskriver forskningen, som blev gjort i samarbejde med forskere ved DOE's Argonne National Laboratory, blev offentliggjort i dag i Natur .

"Ideen er at se, om vi kan få en uafhængig forståelse af, hvordan disse supergitter vokser, så vi kan gøre dem mere ensartede og kontrollere deres egenskaber, " sagde Chris Tassone, en personaleforsker ved SSRL, der ledede undersøgelsen med Matteo Cargnello, adjunkt i kemiteknik ved Stanford

Små krystaller med store egenskaber

Forskere har lavet nanokrystaller i laboratoriet siden 1980'erne. På grund af deres lille størrelse - de er milliardtedele af en meter brede og indeholder kun 100 til 10, 000 atomer hver - de er underlagt kvantemekanikkens love, og dette giver dem interessante egenskaber, som kan ændres ved at variere deres størrelse, form og sammensætning. For eksempel, sfæriske nanokrystaller kendt som kvanteprikker, som er lavet af halvledende materialer, glød i farver, der afhænger af deres størrelse; de bruges i biologisk billeddannelse og senest i HD-tv-skærme.

I begyndelsen af ​​1990'erne, forskere begyndte at bruge nanokrystaller til at bygge supergitter, som har den ordnede struktur af almindelige krystaller, men med små partikler i stedet for individuelle atomer. Disse, også, forventes at have usædvanlige egenskaber, der er mere end summen af ​​deres dele.

Men indtil nu, supergitter er vokset langsomt ved lave temperaturer, nogle gange i løbet af få dage.

Det ændrede sig i februar 2016, da Stanford postdoc-forsker Liheng Wu serendipitalt opdagede, at processen kan ske meget hurtigere, end forskerne havde troet.

'Der sker noget underligt'

Han forsøgte at lave nanokrystaller af palladium - et sølvfarvet metal, der bruges til at fremme kemiske reaktioner i katalysatorer og mange industrielle processer - ved at opvarme en opløsning indeholdende palladiumatomer til mere end 230 grader Celsius. Målet var at forstå, hvordan disse små partikler dannes, så deres størrelse og andre egenskaber lettere kunne justeres.

Teamet tilføjede små vinduer til et reaktionskammer på størrelse med en mandarin, så de kunne skinne en SSRL røntgenstråle igennem det og se, hvad der skete i realtid.

"Det er lidt ligesom at lave mad, Cargnello forklarede. "Reaktionskammeret er som en pande. Vi tilføjer et opløsningsmiddel, som er som stegepanden; hovedingredienserne til nanokrystallerne, såsom palladium; og krydderier, som i dette tilfælde er overfladeaktive forbindelser, der tuner reaktionsbetingelserne, så man kan styre størrelsen og sammensætningen af ​​partiklerne. Når du har tilføjet det hele til gryden, du varmer det op og steger dine ting."

Wu og Stanford kandidatstuderende Joshua Willis forventede at se det karakteristiske mønster lavet af røntgenstråler, der spredes fra de små partikler. De så et helt andet mønster i stedet.

"Så der sker noget underligt, " skrev de en sms til deres rådgiver.

Det mærkelige var, at nanokrystallerne af palladium var ved at samle sig til supergitter.

En styrkebalance

På dette tidspunkt, "Udfordringen var at forstå, hvad der bringer partiklerne sammen og tiltrækker dem til hinanden, men ikke for stærkt, så de har plads til at vrikke rundt og sætte sig i en ordnet position, "sagde Jian Qin, en assisterende professor i kemiteknik ved Stanford, der udførte teoretiske beregninger for bedre at forstå selvsamlingsprocessen.

Når nanokrystallerne først er dannet, hvad der synes at ske er, at de får en slags behåret belægning af overfladeaktive molekyler. Nanokrystallerne glomer sammen, tiltrukket af svage kræfter mellem deres kerner, og derefter holder en finjusteret balance af attraktive og frastødende kræfter mellem de dinglende overfladeaktive molekyler dem i den helt rigtige konfiguration for supergitteret at vokse.

Til forskernes overraskelse, de individuelle nanokrystaller blev så ved med at vokse, sammen med supergitterne, indtil alle de kemiske ingredienser i opløsningen var opbrugt, og denne uventede ekstra vækst fik materialet til at svulme op. Forskerne sagde, at de tror, ​​at dette forekommer i en lang række nanokrystalsystemer, men var aldrig blevet set, fordi der ikke var nogen måde at observere det i realtid før holdets eksperimenter på SSRL.

"Når vi først forstod dette system, vi indså, at denne proces kan være mere generel, end vi først troede, " sagde Wu. "Vi har vist, at det ikke kun er begrænset til metaller, men det kan også udvides til halvledende materialer og meget sandsynligt til et meget større sæt materialer. "

Holdet har lavet opfølgende eksperimenter for at finde ud af mere om, hvordan supergitterne vokser, og hvordan de kan justere størrelsen, sammensætning og egenskaber af det færdige produkt.